射电天文超宽带高时间频率分辨率数字后端技术研究

Currently there is constant requirement in the increasing of receiving bandwidth and estimation precision accuracy in the time and frequency domain in the radio astronomy. It brings great challenges to the real-time signal processing technology in the radio astronomy digital backend. Focusing on the requirements of several GHz frequency bandwidth and high time/frequency resolution for radio astronomical observations, we propose in this project to study the relevant key techniques of high-performance digital backend, including: 1) The effects of non-ideal performance of the receive system in the GHz wide-band observation and the corresponding equalization technology in the digital backend. 2) The implementation of compact-size low power FPGA array for digital backend digital processing in single and multiple station observations 3) the key signal processing technology, such as high-speed real-time parallel channelization and de-dispersion, and its implementation in the digital backend hardware 4) Open-architecture reconfigurable high-speed digital backend and .corresponding IP core for radio astronomy signal processing.

当前射电天文观测信号的带宽不断扩大，射电科学研究对信号的时间和频率测量精度等方面需求的不断提高，给射电数字后端的实时信号处理技术带来了巨大挑战。本项目将针对射电天文观测所需要的几GHz信号带宽和高精度时间/频率分析的需要，以脉冲星研究观测为重点，在自主开发的平台上，展开对高性能射电天文数字后端关键技术的研究。主要包括：1）GHz超宽带条件下系统非理想特性对高精度观测的影响，以及数字终端中对这些影响的数字化校正方案；2）单站以及多站协同观测条件下紧凑型低功耗的全FPGA的开放组合式高速数字后端以及数字后端阵列实现技术研究，满足多站宽带观测的需求；3）高效的实时消色散算法、数据有效约减等实时数据处理技术研究，实现高效的宽带高时间/高频率分辨信号采集以及记录；4）开放体系构建研究，通过IP核例化生成一系列标准化的高性能信号处理IP核，方便后期数字后端系统的定制，适应不断发展的科学研究目标的需要。

当前射电天文观测信号的带宽不断扩大，射电科学研究对信号的时间和频率测量精度等方面需求的不断提高，给射电数字后端的实时信号处理技术带来了巨大挑战。本项目针对射电天文观测所需要的几GHz信号带宽和高精度时间/频率分析的需要，以脉冲星研究观测为重点，对高性能射电天文数字后端关键技术的研究。主要包括:1） 研究发现了GHz超宽带条件下系统可能存在的非理想因素对观测的影响，提出了在数字终端中对这些影响的数字化校正方案，降低了前端设计的难度；2）完成了单站以及多站协同观测条件下紧凑型低功耗的全FPGA的开放组合式高速数字后端以及数字后端阵列实现技术研究，满足了多站宽带观测的需求；3） 在自主设计的高性能数字后端平台上实现了高效的实时消色散算法，完成了数据有效约减等实时数据处理技术研究，实现了高效的宽带高时间/高频率分辨信号采集以及记录；4），设计了多个高性能信号处理IP核，方便了后期的数字后端系统的定制，从而适应不断发展的科学研究目标的需要； 5）在自主设计的高性能数字后端平台上，实现了针对脉冲星观测的多种观测模式，包含高时间分辨率模式（时间分辨率最高1.17us）以及高频率分辨率模式（频率分辨率最高9KHz），满足了脉冲星观测的多种需求。6）研究了射电天文谱线分析方法以及脉冲星识别方法，极大地提高了射电天文中谱线分析以及脉冲星搜寻的效率。